實現高性價比家電人機接口

帶有交互式圖形用戶接口(GUI) 功能的液晶顯示屏(LCD) 成為目前大部分家電中傳統“機械式” HMI 的高性價比替代方案。本白皮書介紹這些技術，以及Altera、Altia 和Echelon 為幾乎所有家電或者消費類產品的低成本、高性能HMI 提供的創新解決方案體系結構。
引言
傳統上，家電人機接口 (HMI) 由按鍵和旋鈕等機械器件以及顯示指示器組成，這些指示器包括發光二極管(LED) 和真空熒光顯示屏(VFD) 等。現在，家電和消費類產品市場發生了很大變化。隨著液晶顯示屏(LCD)技術在電視、計算機、汽車和移動設備上的廣泛應用，其成本不斷下降，帶有交互式圖形用戶接口(GUI)功能的LCD 成為目前大部分家電中傳統“機械式” HMI 的高性價比替代方案。
HMI 在家電中的作用
消費者總是希望有更簡單的方式實現和家庭中大量家電的交互，顯示屏，特別是數字顯示HMI，在這方面的作用越來越重要。最近， Apple iPhone 等產品進一步推動了向圖形交互產品的發展。iPhone 從根本上重新定義了消費者對大批量市場產品的預期，導致現在的消費者習慣于觸摸虛擬按鍵，在屏幕上滑動手指來調整設置，甚至使用手勢來代替復雜的HMI 動作。此外，消費者還希望產品是“智能”的，能夠輕松獲得豐富的信息，不出錯，在很多情況下，消費者都不用打開手冊尋找幫助。
在當今競爭激烈的消費類產品和家電市場上，生產商必須以最小的成本突出產品優勢，吸引消費者，從而提高市場份額。一項新技術一般總是首先應用在高端產品上，然后過渡到中端產品，最后幾乎成為所有產品的標準功能。最近新出現的技術包括電冰箱和網絡家電使用的集成HDTV，以及洗衣機和甩干機的智能電源方案等( 圖1)。

圖1. 具有能源監控新功能的洗衣機實例
這些功能都有一個共同點：它們需要更高級的顯示技術來實現人機交互。在很多情況下，通過觸摸屏來實現這一點。OEM 采用觸摸屏來實現對現代家電的平滑控制，突出自己的品牌優勢，滿足當前消費者的需求。使用數字顯示屏技術替代機械HMI 最終加速了開發，而且能夠重新利用體系結構，從長遠看，由于GUI 軟件和可編程邏輯器件(PLD) 技術的進步，設計成本會越來越低。家電觸摸屏是目前消費類產品的必然方向，不斷推動“數字生活方式”市場的發展。
實現高性價比家電人機接口Altera 公司
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觸摸屏技術
觸摸屏這種顯示設備能夠探測到顯示區域一定范圍內“觸點”的出現及其位置。這一般通過手指或者塑料觸摸筆來實現。最新的觸摸技術使用“多觸點”傳感技術，一個人使用兩個手指來操作一個目標，例如Apple iPhone，或者多人在一個屏幕上相互協作，進行交互，例如微軟的表面計算技術。
觸摸技術發明于上個世紀60 年代后期，最先應用于企業研究實驗室計算機輔助學習終端以及商用電話系統中。然而，這一技術并沒有得到廣泛的市場應用，直到最近某些產品的推出，這一技術才逐漸流行起來，主要應用在移動電話市場。消費者最先接觸這一技術是在個人數字助理(PDA) 上，例如Palm Pilot，而隨著Apple iPhone 的出現，對這一技術的需求越來越大。Apple iPhone 無縫結合了觸摸交互功能和引人注目的動態圖形技術。
觸摸屏主要由三種集成組件構成：傳感器、模塊和顯示屏。觸摸屏傳感器是產品的關鍵組成，它能夠找到手指或者觸摸筆的觸摸位置，然后與底層系統進行通信。觸摸屏模塊包括觸摸屏傳感器、控制器IC 和軟件。觸摸屏含有集成了顯示面板的模塊。
目前使用的觸摸屏傳感器有各種類型的，包括應變、光學成像、散射信號、聲脈沖、表面聲波、電容和電阻傳感器等。其中，電阻傳感器由于成本低，是目前應用最廣泛的，三分之二的觸摸屏元件生產商生產基于電阻傳感器的觸摸屏。電阻觸摸屏不受水、光或者灰塵等外部因素的影響，能夠實現分辨率較高的圖像， 支持精確的小目標移動。電阻觸摸屏使用銦錫氧化物(ITO) 玻璃或者顯示屏表面塑料薄膜上的控制器來產生觸摸連接。在激活觸摸屏時，手指或者觸摸筆按壓塑料薄膜和基底之間的氣隙，從而在ITO 薄膜和玻璃之間產生電壓差。 控制器IC 計算觸摸位置，確定用戶在傳感器上的實際位置，然后，底層應用軟件利用這一信息確定用戶意圖，完成相應的動作。
采用FPGA 實現觸摸屏
具有較強交互功能GUI 的發展推動了對高性能處理器的需求。然而，目前市場上的很多低成本微控制器單元(MCU) 不能滿足在LCD 屏上實現生動的交互式GUI 的性能需求。而且，現有的MCU 不包括對外設、圖形加速或者LCD 顯示屏的片內支持，因此，將所有分立元件組裝起來后，其總成本非常高。
FPGA 器件由邏輯單元陣列組成，可以配置完成各種功能，相對于MCU，其性能和靈活性更強，是LCD 觸摸屏更好的選擇方案。結合嵌入式軟核處理器， FPGA 很容易支持實現MCU 通用處理功能以及其他外部器件功能。這些器件能夠動態適應不同的屏幕尺寸、圖像分辨率、外設和GUI，非常靈活。
由于具有可編程能力， FPGA 以前主要用于驗證設計概念，構建最初的產品原型。然而，隨著半導體亞微米技術的發展，低成本FPGA，例如Altera® Cyclone® 產品系列， 廣泛應用在大量的消費類電子產品中，包括數字電視、機頂盒以及DVD 解碼器等。這一趨勢的自然發展導致FPGA 在家電設計中得到進一步應用。
圖2 所示為65-nm 低功耗、低成本Cyclone III FPGA 實現的LCD 觸摸屏。Cyclone III FPGA 具有內置LCD控制器和觸摸屏接口，因此，不需要其他的LCD 控制器和圖形處理器，否則，實現這類設計還得采用這些器件。
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圖2. 采用Cyclone III FPGA 實現的觸摸屏
采用下一代技術簡化GUI 開發
傳統的GUI 應用程序開發很容易出錯，需要大量的投入，OEM 宣稱高達70％的質量問題來自GUI。這些缺點主要來源于效率低下的工作流程、時間和成本壓力導致的折衷方案以及在嵌入式系統上開發非常復雜的高性能圖形軟件。